Beschreibung Leistungsmerkmale Industrielles Temperatur-Messverfahren Weiter, -270 bis +1360 C Digitale I²C-Schnittstelle Einfache Anbindung an Mikrocontroller Lieferumfang mit Thermoelement, Typ K Kalibriert und einsatzbereit Miniaturisierte Abmessungen Optimales Preis-/Leistungsverhältnis Kundenspezifische Produktvarianten und OEM-Ausführungen möglich Technische Daten Thermoelement-Modul THMOD-I2C Messprinzip Thermoelektrische Spannungsmessung (Seebeck-Effekt) Signalverarbeitung Digital im ASIC Typ -300-270... +300 C Typ -800-270 +800 C Typ -1370-270 +1370 C Auflösung T1-300 ca. 0,1 K (Typ J) T2-800 ca. 0,2 K (Typ J) T3-1370 ca. 0,5 K (Typ J) Temperatur-Messung -32 +97 C, Klasse B Ausgleichsstelle Ansprechzeit Modul < 30 msec. Abmessungen Modul 9 x 46,0 x 5,0 mm Betriebsspannung 6 24 V Stromaufnahme < 3 ma Ausführung SMD-Modul Anschluss Stiftleiste, 6-polig, RM 2,54 mm I2C- 100 / 400 khz, Adresse 0x78 Artikel Art.-Nr. Thermoelement Modul Typ -300 THMOD-I2C-300 Thermoelement Modul Typ -800 THMOD-I2C-800 Thermoelement Modul Typ -1370 THMOD-I2C-1370 Anwendungsgebiete Mikrocontroller Messtechnik CONRAD C-Control Kundenspezifische Produkte Eigenschaften Thermoelemente sind in der Industrie weit verbreitet und gelten als Standardverfahren zur Messung von Temperaturen über einen weiten. Mit preisgünstigen NiCr-Ni Thermoelementen lässt sich beispielsweise ein Temperaturbereich von -270 bis +1360 C realisieren. Bei Verwendung von Thermoelementen in Verbindung mit einem Mikrocontroller muss die relativ geringe Thermospannung ausreichend verstärkt werden. Da Thermoelemente relativ zur Temperatur der so genannten Ausgleichsstelle messen, wird immer auch eine zusätzliche, absolute Temperaturmessung benötigt. Mit Hilfe dieses Thermoelemente-Moduls ist es mit einfachen Mitteln möglich, eine Temperaturmessung über einen weiten mit einem Mikrocontroller zu realisieren. Das Modul übernimmt dabei sowohl die Messung der Thermospannung als auch die Bestimmung der Temperatur an der Ausgleichsstelle. Ein hoch auflösender, 14 Bit A/D-Umsetzer ist ebenfalls schon im ASIC integriert und beide Messwerte werden digital an der I2C-Schnittstelle bereit gestellt. Der Aufwand im Mikrocontroller beschränkt sich daher auf die einfache Anwendung einer Berechnung. Da das Modul im Werk über die Thermospannung kalibriert ist, wird keine zusätzliche Kalibrierung durch den Anwender benötigt. Zur Vereinfachung der Produktentwicklung ist ein USB-I2C-Adapter und eine PC-Software zur Anzeige und Datenaufzeichnung lieferbar - fragen Sie bitte an! 1 / 5
I²C-Schnittstelle - THMODI2C Anwendungshinweise Im Lieferumfang ist für Testzwecke ein Typ K Thermoelement enthalten, das im Bereich der Teflon-Isolation bis ca. 250 C geeignet ist. Für höhere Einsatztemperaturen muss die Isolation entfernt oder beispielsweise ein Mantel-Thermoelement eingesetzt werden. Die Betriebsspannung von 6 bis 24 V wird im Modul auf 5 V stabilisiert. Die interne 5 V Spannung dient als Bezugspegel für die digitale I2C-Kommunikation. Andere Ausführungen, z.b. mit 3,3 V oder 5 V Betriebsspannung sind als Sonderausführung möglich. Bei Anschluss des Messfühlers über größere Strecken sollte der außerhalb des Gerätes verwendete I2C-Bus nicht auch intern benutzt werden, um Einkopplung von Störungen in die geräteinterne Kommunikation zu vermeiden. Die EMV-Richtlinien sind zu beachten, die Verwendung geschirmter Leitungen ist zu empfehlen. Durch kurzzeitiges Unterbrechen der Betriebs spannung kann ein RESET des ASIC ausgelöst werden. Wird die Betriebsspannung schaltbar ausgeführt, so müssen die Pullup Widerstände des I2C Bus zur geschalteten Spannung angeschlossen werden. Anschlussbelegung des Steckers Pin Bezeichnung Funktion 1 (white) VDD Betriebsspanung 6... 24 V 2 GND Masse 3 SDA Serielle Daten I2C 4 SCL Serieller Takt I2C 5 --- unbelegt 6 --- unbelegt I2C- Die Kommunikation entspricht dem I2C Protokoll. Die Adresse des Bausteins ist default 0x78, unter dieser Adresse ist der Baustein immer anzu sprechen. Zusätzlich kann bei der Konfiguration im Werk eine zweite Adresse programmiert werden, unter welcher der Sensor angesprochen werden kann. Ab der Adresse 0x78 können 4 Bytes gelesen werden. Es gilt folgende Zuordnung Daten 0x78 Byte_0 MSB Thermospannung Byte_1 LSB Thermospannung Byte_2 MSB Ausgleichstellen-Temperatur Byte_3 LSB Ausgleichstellen- Temperatur Skalierung der Messwerte Sowohl die Thermospannung als auch die Ausgleichsstellen-Temperatur werden als 15 Bit Wert (Bit 0-14) übertragen. Von dem 15 Bit Messwert der Thermospannung sind 14 Bit Auflösung zu nutzen, die niederwertigsten Bit (0, 1) können ignoriert werden. Bei der Augleichsstellen-Temperatur sind 12 Bit Auflösung zu nutzen, die niederwertigsten Bit (0-2) können ignoriert werden. Das höchstwertige Bit (15) ist im normalen Betrieb immer 0 und wird im Fall eines internen Fehlers auf 1 gesetzt. Bei den Messwerten gilt folgende Skalierung. Thermospannung Typ -300-12,500... 20,268 mv 32,768 mv Auflösung 2 µv Thermospannung Typ -800 dec. 0... 32768-12,500... 53,036 mv 65,536 mv Auflösung 4 µv 2 / 5
Thermospannung Typ -1360-12,500... 85,804 mv 98,304 mv Auflösung 6 µv Termperaturkanal alle Ausführungen -32... 95,996 C Skalierung T ( C)=V / 256-32 Bestimmung der Temperatur Die Module sind universell zu verwenden und sind prinzipiell für alle Thermoelemente geeignet. Das mitgelieferte Thermoelement ist ein Typ K mit der Materialpaarung NiCr-Ni. Die folgenden Beispiele beziehen sich auf das Modul -T1 und das mitgelieferte Thermoelement. Der Anschluss des Thermoelements muss mit der richtigen Polarität erfolgen, ansonsten wird die Temperatur falsch gemessen. Der von den jeweiligen Modul-Varianten nutzbare Spannungsbereich ist so gewählt, dass sich der spezifizierte Temperatur- sowohl mit Fe-CuNi Thermoelementen (Typ J), als auch mit NiCr-Ni Thermoelementen (Typ K) realisieren lässt. Da NiCr-Ni Thermoelemente eine geringere Seebeck-Spannung als Fe-CuNi (Typ J) Elemente aufweisen, ist der mit NiCr-Ni Elementen größer, bei etwas geringerer Temperatur-Auflösung. Somit kann z.b. das Modul Typ-800 bei Verwendung von NiCr-Ni Elementen bis ca. 1200 C eingesetzt werden. Der erste Kanal misst die Thermospannung. Die Skalierung ist so gewählt, dass 16 bit Integer-Arithmetik genutzt werden kann, um die Berechnungen und Tabelleninterpolationen auszuführen. Die Skalierung des Messwerts ist vom verwendeten Modul abhängig und linear zur Thermospannung. Der zweite Kanal misst die absolute Temperatur an der Ausgleichsstelle mittels eines PT 1000 Widerstandsthermometers. Die Skalierung ist auf die Integer- Verarbeitung im Mikrocontroller optimiert und linear zur Temperatur. Die zu messende Temperatur muss rechnerisch bestimmt werden, indem die beiden Kanäle miteinander verrechnet werden: Zuerst wird die Thermospannung gemessen, indem über den I2C-Bus an Adresse 0x78 die ersten zwei Byte gelesen werden. Das erste Byte ist das MSB, das zweite Byte das LSB. Das oberste Bit dient zur Fehlererkennung und wird nicht in die Berechnung einbezogen. Danach wird die Temperatur an der Ausgleichsstelle bestimmt, indem das zweite und dritte Byte gelesen werden. Das zweite Byte ist das MSB, das dritte Byte das LSB. Das oberste Bit dient zur Fehlererkennung und wird maskiert. Der Wert entspricht der Temperatur in 1/256 C, wobei der Nullpunkt bei -32 C liegt.entsprechend der gemessenen Temperatur an der Ausgleichsstelle wird in Abhängigkeit von dem verwendeten Thermoelement ein Korrekturwert gebildet (für Typ K siehe Tabelle 1, rechte 3 Spalten). Danach wird der Korrekturwert zum numerischen Wert der Thermospannung addiert, womit die Temperatur an der Ausgleichsstelle quasi als Thermospannung auf die gemessene Thermospannung vorzeichenrichtig addiert wird.mit dem Zwischenergebnis wird über Tabelle 2 die Temperatur der Messstelle durch Interpolation ermittelt. Beispiel: Es handelt sich um ein Modul -300 mit NiCr-Ni Thermoelement (Typ K). Es werden 4 Byte I2C-Daten an Adresse 0x78 in HEX gelesen: 60 85 3E 00 Die Thermospannung (0x6085, dec 24709) beträgt 12,209 mv. Der Temperaturwert der Ausgleichstelle (0x3E00, dec 15872), ergibt den Temperaturwert 30,0 C (siehe Tabelle 1). Zu dieser Temperatur und zum Modul -300 beträgt der Korrekturwert 1203 digits. Addiert zum numerischen Wert der Thermospannung ergibt sich 25912 digits Thermospannung. Mit diesem Wert wird nun in der Tabelle 2 interpoliert und es ergibt sich der Messwert 330 C an der Messstelle. Korrekturwerte der Ausgleichsstelle Digit Temp. mv -300-800 -1360 512-30 -1,156-1156 -578-385 3072-20 -0,778-778 -389-259 5632-10 -0,392-392 -196-131 8192 0 0 0 0 0 10752 10 0,397 397 199 132 13312 20 0,798 798 399 266 15872 30 1,203 1203 602 401 18432 40 1,612 1612 806 537 20992 50 2,023 2023 1012 674 23552 60 2,436 2436 1218 812 26112 70 2,851 2851 1426 950 28672 80 3,267 3267 1634 1089 31232 90 3,682 3682 1841 1227 3 / 5
Skalierung der Thermospannung Temp. mv -300-800 -1360-200 -5,891 6609 3305 2203-100 -3,554 8946 4473 2982-50 -1,889 10611 5306 3537 0 0 12500 6250 4167 50 2,023 14523 7262 4841 100 4,096 16596 8298 5532 200 8,138 20638 10319 6879 300 12,209 24709 12355 8236 400 16,397 28897 14449 9632 500 20,644-16572 11048 600 24,905-18703 12468 700 29,129-20815 13876 800 33,275-22888 15258 900 37,327-24913 16609 1000 41,276-26888 17925 1100 45,119-28810 19206 1200 48,838-30669 20446 1300 52,410-32455 21637 1370 54,819 - - 22440 Der Thermoelektrische Effekt Die Temperaturmessung mittels Thermoelementen basiert auf dem Seebeck-Effekt: An der Berührungsstelle von zwei verschiedenen Metallen entsteht eine temperaturabhängige Kontaktspannung. Ein Thermoelement oder Thermopaar besteht demnach aus zwei punktförmig miteinander verschweißten Drähten aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen. Wird diese Kontaktstelle erwärmt, so kann an den Enden eine Spannung gemessen werden. In der Praxis ist es nun aber nicht möglich, nur ein Thermopaar in einem Stromkreis zu haben. Es muss mindestens eine weitere Stelle geben, an der die Enden zusammengeführt sind oder an ein anderes Metall, z.b. die Kupferspule eines Drehspul-Instruments übergeht. Es sind somit weitere Thermopaare vorhanden, von denen sichdie einzelnen Thermospannungen im Stromkreis addieren. In der Summe wird letztlich die Summe aller Thermospannen am Messgerät gemessen. Sorgt man nun dafür, dass der Übergang am Kupfer des Messwerks an einer Stelle erfolgt, von der die Temperatur bekannt ist, so kann anhand der Temperatur der Ausgleichsstelle und der Thermospannung die Temperatur am Thermoelement bestimmt werden. In Laboranwendungen kann die Ausgleichsstelle in Eiswasser temperiert werden. Damit entspricht die gemessene Thermospannung der Seebeck-Spannung des eingesetzten Thermoelements. In der Regel wird die Ausgleichsstellen-Temperatur mittels eines absolut messenden Verfahrens bestimmt, beispielsweise mit einem Pt1000. Damit ist es möglich, die Temperatur der Ausgleichsstelle rechnerisch zu kompensieren. Der Anschluss von Thermoelementen erfolgt in der Praxis über Ausgleichsleitungen, die entweder aus dem gleichen Material bestehen oder, bei teurenedelmetall-elementen, aus einer Legierung die gleiche thermische Daten besitzt. Die Verlängerung erfolgt dann in der Regel bis zur Ausgleichsstelle, an der dann wieder über eine absolute Temperaturmessung die Temperatur kompensiert wird. Nach der DIN IEC 584-1 (DIN EN 60 584-1) sind folgende Thermopaare genormt Kennbuchstabe Bezeichnung in C Thermospannung in µv E NiCr-CuNi -200...+1000-8825...+76373 J Fe-CuNi -210...+1200-8095...+69553 K NiCr-Ni -200...+1372-5891...+54886 N NiCrSi-NiSi -200...+1300-3990...+47513 T Cu-CuNi -200...+400-5603...+20872 Nicht-Edelmetall-Thermoelemente Kennbuchstabe Bezeichnung in C Thermospannung in µv S Pt10%Rh-Pt -50...+1768-235...+18694 R Pt13%Rh-Pt -50...+1768-226...+21103 B Pt30%Rh- Pt6%Rh +250...+1820-291...+13820 Edelmetall-Thermoelemente 4 / 5
Die jeweiligen Elemente sind aufgrund unterschiedlicher Legierungen nicht untereinander kompatibel. Die Elemente liefern verschiedene Thermospannungen. Das am häufigsten eingesetzte Thermoelement ist der Typ K, das aus der Metalllegierung NiCr-Ni gefertigt wird. Der Einsatztemperaturbereich dieses Typs reicht bis 1200 C. Thermoelemente bestehen letztlich nur aus einem gekreuzten, verschweißten Leiterpaar, das beispielsweise aus dünnen Drähten hergestellt werden kann. Aufgrund der geringen thermischen Masse ist das Ansprechverhalten extrem schnell. Grenzabweichung Nach der IEC 584 sind drei Toleranzklassen definiert, die für Thermopaare von 0,25 bis 3 mm im Auslieferungszustand gelten. Je nach Material und Einsatztemperatur unterliegen die Thermoelementen einer gewissen Alterung durch Diffusion von Fremdstoffen. Der Verlauf der Thermospannung über die Temperatur ist nicht linear und muss von der Folgeelektronik oder per Software korrigiert werden. Die Elektronik übernimmt in der Regel auch die Messung und Kompensation der Ausgleichsspannung. Die mechanische Ausführung von Thermoelementen ist sehr vielfältig. Eine besondere Stellung nehmen die Mantel-Thermoelemente ein. Die Thermodrähte sind in einer Kompaktisolation aus Magnesiumoxid eingebettet und mit einem Mantel aus Edelstahl oder Inconel (Nickellegierung) umgeben. Mantel-Thermoelemente sind hermetisch dicht, biegsam und mechanisch sehr beständig. Die Kompaktisolation fixiert die Drähte völlig, so dass interne Kurzschlüsse praktisch ausgeschlossen sind. 5 / 5